WiMAX技术讲座第3讲WiMAXMAC层简介

1、WiMAX 技术讲座第 3 讲WiMAX MAC 层简介 *郎为民 1,2（1. 解放军通信指挥学院 武汉 430010） （2. 华中科技大学电子与信息工程系 武汉 430074）1. 连接连 接 是 WiMAX （Worldwide Interoperability for Microwave Access）中一个最基本的概念，它定义的是 一组正在传输的单向分组数据。特定业务汇聚子层 对来自高层的数据包进行分类，依据一定的规则将 其映射到某个连接上。数据的操作和调度都是以连 接为载体和基础的。连接本身也体现着 QoS 的思想， MAC 层针对每个连接可以分别设置不同的 QoS 参 数，包括

2、带宽、时延和时延抖动等，从而为该连接建 立专门的 QoS 保证机制。不同优先级或 QoS 要求的 业务 MSDU 在进入 CS 的分类器后，被分配到不同的 连接上，等待基站的调度发送。每个连接通过一个 16bit 的标识符（CID）来唯一 标识。基站管理着整个小区内的所有连接，连接的最 大限制是 65536 个。针对不同用户站的连接可以由 基站发起建立，也可以由用户站发起建立。连接的建 立是业务通信的前提，每个连接代表着不同的服务 类型、带宽等参数。在用户站入网初始化时，基站会 给用户站分配管理连接。根据 MAC 管理帧应用时间 的紧迫程度，管理连接可分为基本管理连接和主管13WiMAX 是一

3、种可以提供电信级 QoS 保证的宽带无线接入技术，而其 QoS 保证主要依赖于 MAC 层技术的支撑。MAC 层支持 QoS 管理，可以满足不 同业务质量的需求，其最大特点是面向连接。该子层实现的操作包括系统接入控制、调度服务、带宽的请求与分配、连接的建立与维护、网络接入与初始化、初始测距与周期性测距等。 为支持移动性，IEEE802.16e 还在 MAC 层引入了一些新特性，如切换支 持、可节电的休眠模式和空闲模式等。MAC 层 s 分为 三个子层：特定业务汇聚子层（SSCS）、公共部分子层（CPS）和安全子层（SS）。特定业务汇聚子层特定业务汇聚子层（SSCS）子层主要负责将业务 接入点（

4、SAP）接收到的外部网络数据转换、映射到 MAC 业务数据单元（SDU），并传递到 MAC 层业务接 入点（SAP）。包括对外部网络数据 SDU 执行分类，并 映射到适当的 MAC 业务流和连接标识符（CID）上， 以及执行净荷头压缩（PHS）等功能。1.1连接及业务流1* 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60602029）。78摘 要 本文分析了 WiMAX MAC 层的构成，介绍了特定业务汇聚子层（SSCS）的主要功能，描述了公共部分子层（CPS）的工作原理，最后给出了安全子层的协议栈和安全策略。关键词 全球微波接入互操作性（WiMAX） 特定业务汇聚子层（SSCS） 公共部分子层（C

5、PS） 安全子层（SS）理连接、次管理连接。每个管理连接的作用和使用范围各不相同。独立的管理连接可以保证 MAC 管理功 能的迅速和有效实施，提高网络的稳定性，不会造成 因为业务量的增加而影响无线网络的维护和管理。 连接除了可以区分不同优先级的业务之外，它还是 WiMAX 网络中寻址的重要信息。每个基站或用 户站实际上都有一个 48bit 的 MAC 地址，但是该地 址仅仅在用户站初始测距的过程中使用一次，且使 用目的是为了建立管理连接。在 WiMAX 网络中，通 过统一寻址方式可以减轻很多 MAC 层的管理负担， 甚至根据连接标识（CID）可以进行有效的净荷头压 缩功能（PHS），减少 Vo

6、IP 等业务的传输开销。2. 业务流业务流是 WiMAX 的另一个概念，这个概念的引 入是为了实现不同业务的不同 QoS。一个业务流以 一组 QoS 参数集为基本特征。每个连接上承载的就 是业务流。连接只是 MAC 内部工作使用的概念，与 上层业务相关的时候，就要应用到业务和业务流，业 务流与连接相互映射。MAC 本身提供了与业务流相 关的管理信令，用于创建、更改、添加、删除业务。WiMAX 网络可以提供 4 种不同等级的业务，分 别为：主动授权业务（UGS）、实时轮询业务（rtPS）、非 实时轮询业务（nrtPS）、尽力服务（BE）。WiMAX 网络 的许多管理都是基于这 4 种服务展开的，

7、如带宽分 配和请求就依据不同的服务提供灵活的 MAC 管理 帧。与连接类似，基站管理着所有的服务流 ， 不 同 的 业务流以业务流标识符 （SFID） 标识，业务流的取 值 范 围 是32bit。业务流和连接把 MAC 从逻辑上分 成两层，上层为向网络层提供服务的业 务流，用于区分不同业务的 QoS；下层为 MAC 管理和调度的单位连接。通过 业务流和连接的映射，将需求和实现联 系起来。1.2分类及映射分类是在 MAC 层两端之间进行传 输时，将一个 MAC SDU 映射到一个特 定连接上的过程。映射过程将一个 MAC SDU 与一个连接联系在一起，同时创建 一个与该连接的服务流特性相关联的实

8、体。分类器是一系列的匹配标准，适用于所有进入WiMAX 网络的分组数据。它由一些协议相关的分组 数据匹配标准、分类器优先级和 CID 组成。如果一个 分组数据与一个标准相匹配，则将被分发到由 CID 定义的连接用于发送。该连接的服务流特性提供这 个分组的 QoS。下行链路的分类器被基站应用到正在发送的分 组数据中，映射过程如图 1 所示；上行链路分类器被 应用在用户站上，映射过程如图 2 所示。如果一个分 组数据可能与一系列的分类器匹配失败，那么汇聚 子层必须丢弃这个分组。公共部分子层公共部分子层（CPS）是 MAC 的核心部分，主要 功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护 等。CPS

9、 子层通过 MAC SAP 接收来自各种 CS 层的 数据并分类到特定的 MAC 连接，同时对物理层上传 输和调度的数据实施服务质量（QoS）控制。2.1QoS 机制WiMAX 系统 QoS 机制包含两部分内容：一部分 是关于业务流的管理，它提供了一种实现上、下行 QoS 管理的机制，它是 MAC 层的核心功能，包括 QoS 参数集、业务流定义、分类符和动态业务管理等；另 一部分是相应的 QoS 保证机制，包括调度算法、缓冲21. WiMAX 系统业务流管理在 WiMAX 中，QoS 的工作原理是通过 把 MAC 层传输的数据包与一个由连接标 识符（CID）标识的业务流关联起来，数据包 的业务

10、类型和相应参数都包含在 CID 中， 使得每个数据包在进行调度前具有相应的 QoS 要求。IEEE 802.16 MAC 协议对 QoS 的 支持分为三部分：首先创建初始业务流，并 对业务流的 QoS 参数进行配置；然后对业 务流进行动态管理，包括动态业务增加（DSA）、动态业务改变（DSC）和动态业务删 除（DSD）；最后在通信过程中对 MAC 的分 组数据单元（PDU）进行分类并依据业务流 的类别区分优先级进行调度。一种 WiMAX 系统业务流管理模型如图 3 所示。多媒体 业务 QoS 的区分机制详细阐述了上下行链路 SS 和 BS 的处理流程，包括不同业务的 CID 分配、调度和接入等

11、功能，调度在 QoS 保证中占有核心地域管理和流量控制等，在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。80户站的要求。带宽请求的类型字段表示一次带宽请求是增量请求还是总量请 求，对于附带带宽请求由于没有类型字 段，因此都表示增加。请求 / 授权协议的 自我纠正特性要求用户站周期性地使用 总带宽请求来进行带宽调整。这种周期 性的调整是 QoS 服务为了保证链路质 量的一个功能。为了防止冲突导致消息 丢失，广播或多播带宽请求应该使用总 带宽方式表示。其他带宽请求机制还包 括集中式的带宽请求和 CDMA 带宽请 求。2. 授权 对于用户站，带宽请求是按单个连接进行的，而每一个带宽分配使用的是 用户站的基

12、本 CID，而不是各个连接的 CID。由于哪一个请求被授权是不确定的，因此，当用户站获得的带宽比期望的少时，不会 给出明确的原因。在各种情况下，用户站根据最后从 基站收到的最新信息及请求的状态，决定如何进行 处理，是再请求或是丢弃 SDU。用户站要利用其基本 CID 所分配的时隙来发送位。2. WiMAX 系统 QoS 保证机制目前，WiMAX 网络中有多种应用，包括话音、视 频以及数据，实时性和互操作性要求各不相同。不同 业务采用不同的请求轮询机制，为它们提供区分服 务对于保证不同业务的 QoS 来说是非常关键的。图4 中给出了不同业务流相对应的业务分类、排队和调 度机制，根据对实时性和传输

13、业务速率的要求不同 把所有业务分成三种业务类型进行排队，然后不同 的对列采用不同的调度算法，从而满足不同业务的 QoS 要求。2.2 带宽分配及请求机制根据 IEEE 802.16 协议，用户站可以通过请求、 授权、轮询、基于竞争的集中式带宽请求、基于竞争 的 CDMA 带宽请求等多种方式向 BS 申请带宽。1. 请求 当用户站需要分配上行链路带宽时，可以单独发送一个带宽请求帧头或使用附带请求。由于上行 的突发配置文件可以动态改变，因而所有的带宽请 求应该明确表示需要多大的带宽来传送 MAC 帧头 和净荷，而不是物理净荷。带宽请求可以在除初始测 距外的所有上行间隔来发送。带宽请求可以要求带宽增

14、量或带宽总量。当基 站接到带宽请求时，应该增加或减少带宽来满足用数据，因此单播轮询一般使用基本 CID 的数据授权机制，用户站利用这个时机来为用户站所有的连接 请求带宽。用户站采用的请求 / 授权流程如图 5 所 示。3. 轮询轮询是基站为用户站分配带宽的一种处理流 程，这种分配可以是针对单个用户站或是一组用户 站。为一组用户站和连接分配带宽实际上是定义带 宽请求竞争机制，这种分配不是使用一个单独的消 息，而是上行链路映射消息中包含的一系列分配机 制。轮询是基于用户站的，带宽的请求总是基于 CID，而分配则是基于用户站。4. 基于竞争的集中式带宽请求此种机制用于 OFDM 物理层。用户站可以在

15、数 据帧的注册项（REG）域内发送集中式的竞争请求消 息，其实现方式是在 4 个子载波组成的竞争信道上 等概率选取 8 个竞争码中的一个发送。基站检测到 该消息之后，将为该 SS 分配一定的带宽用于发送带 宽请求。5. 基于竞争的 CDMA 带宽请求此种机制用于 OFDMA 物理层。OFDMA 定义了 一个测距子信道和 3 个伪随机测距码子集，分别用 于带宽请求、初始测距和周期性测距。用户站需要申 请带宽时，可以从用于带宽请求的测距码子集中随 机选择一个 CDMA 测距码通过测距子信道发送。基 站检测到该消息之后，将为该用户站分配一定的带 宽用于发送带宽请求。2.3 网络接入与初始化根据 IE

16、EE 802.16 协议，用户站接入网络与初始 化过程可分为四步。（1） 扫 描下行信道，获取 DCD、DL- MAP、 UL- MAP，并与基站建立同步。这里的同步是指 MAC 同步，一旦用户站收到 DL- MAP，就意味着两个 MAC 实体之间建立了同步关系，接下来的任务就是 用户站的随机接入。（2）获取上行链路参数就是用户站可以正确解 出 UCD，以获取发送参数。这一步骤完成之后，用户 站就知道应该在什么时刻发起上行接入过程，以及 用何种参数进行上行接入。（3）初始校准（测距）。初始校准的表层目的是进 行时偏校正和功率调整，但是其核心目的实际上是进行初始管理连接建立。当基站收到一个初始校

17、准请求后，就会给该用户站分配初始管理连接和第一 管理连接。基站和用户站开始建立基于连接的传输， 而后经过多次校准反复，以使用户站的发射参数达 到相关指标。（4）在完成了初始校准后，基站和用户站相继进 行基本能力协商、认证与密钥交换、注册、建立 IP 连 接、向用户站传送配置参数等过程。安全子层（S S）WiMAX 是一种全 IP 的开放平台结构，这种结 构所固有的安全特性，使得它可以提供基于开放标 准的更快和更便宜的端到端安全服务。WiMAX 规范3中的安全子层又称为加密子层，安全子层的主要功能包括提供认证、密钥交换和加解密处理。3.1协议栈在 IEEE 802.16 标准中，安全机制是通过基

18、站与 用户站之间的加密连接实现的。因此，WiMAX 的 MAC 安全子层又称为加密子层。IEEE 802.16e- 2005 安全子层的协议栈如图 6 所示。加密部分主要有两个协议：加密封装协议负责 对宽带无线接入（BWA）网络中的分组数据进行加密 处理；密钥管理协议提供了从基站到终端的密钥数 据的安全分发机制。3.2安全策略在 WiMAX 网络中，当两个节点建立一个链接 时，它们通过一系列的协议来确保两者之间的安全 性和唯一连接。基站和用户站之间的握手机制，是通 过 MAC 层中的安全子层来完成的，该子层包括安全 关联、X.509 证书、PKM 认证、机密性和密钥管理以82及加密五个实体。根

19、据 IEEE 802.16 协议，安全子层提供了足够的 安全条件来提供加密性、校验和加密。但是，为了达 到更好的安全保障，在无线协同骨干网中需要一种端到端的安全策略，它能进一步提升整个网络的安全性，这是 WiMAX 技术中安全性下一步研究的方向 之一。如对本文内容有任何观点或评论，请发 E- m ail 至 s jtx参考文献1 郎为民. WiMAX 技术原理与应用. 北京: 机械工业出版社, 20082 刘丹谱, 郝建军, 乐光新. WiMAX 宽带无线接入技术讲座. 中兴通讯技术, 2008, 14(2): 54573 周志东, 杜文峰, 贾维嘉. WiMAX 网络 MAC 层接入算法研究

20、. 计算机应用研究, 2007(1): 305308（收稿日期：2009 年 2 月 20 日）S e rie s of Le cture sWiMAX P a rt 3：Introduction to the MAC La ye r of WiMAXLang Weimin1,2（1. PLA Institute of Communication Command, Wuhan 430010，China）（2. Department of Electronic and Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074，China）Abs tra ctThis paper analyzes the makeup of WiMAX MAC layer, presents the main function of Service Specific ConvergenceSublayer (SSCS), describes the principium of Common Part Subla